基于m序列相位編碼和正交偏振復(fù)用的合成孔徑激光成像雷達(dá)的制作方法
【專利摘要】一種基于M序列相位編碼和正交偏振復(fù)用的合成孔徑激光成像雷達(dá)，其構(gòu)成包括單頻激光光源、發(fā)射偏振分束器、光學(xué)寬帶相位調(diào)制器、水平偏振光路變換鏡、垂直偏振光路變換鏡、偏振器、發(fā)射偏振合束器，發(fā)射主鏡；接收偏振分束器、2×490°光學(xué)橋接器、同相通道平衡探測(cè)器、同相通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器、90°相移通道平衡探測(cè)器、90°相移通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理電路與控制計(jì)算機(jī)。本發(fā)明除擁有直視合成孔徑激光成像雷達(dá)能消除大氣、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等引入的相位誤差等優(yōu)點(diǎn)外，還能自動(dòng)消除平臺(tái)連續(xù)運(yùn)動(dòng)引入的多普勒頻移。本發(fā)明利用相位編碼信號(hào)獲得距離向信息，能獲得較高的激光脈沖重頻率、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)距離向分辨率、無直視SAIL中由機(jī)械相對(duì)掃描引入誤差等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于M序列相位編碼和正交偏振復(fù)用的合成孔徑激光成像雷達(dá)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及合成孔徑激光成像雷達(dá)，更具體地說，是一種基于M序列相位編碼和正交偏振復(fù)用的合成孔徑成像雷達(dá)。
【背景技術(shù)】
[0002]在合成孔徑激光成像雷達(dá)(SAIL)中，通常發(fā)射線性調(diào)頻脈沖來取得距離向信息，在方位向則利用平臺(tái)移動(dòng)形成與目標(biāo)點(diǎn)方位向位置有關(guān)的二次相位信息；在距離向傳統(tǒng)SAIL利用回波脈沖與本地線性調(diào)頻信號(hào)的外差接收并對(duì)差頻信號(hào)做傅里葉變換取得距離向信息，在方位向則對(duì)不同位置接收到的光場(chǎng)復(fù)信號(hào)做匹配濾波得到方位向信息。
[0003]這種方式的SAIL由于常常采用調(diào)諧脈沖激光器產(chǎn)生脈沖線性調(diào)頻信號(hào)，受激光器硬件條件的限制，在取得較大調(diào)諧范圍從而獲得較高距離向分辨率的條件下其脈沖重復(fù)頻率(PRF)不能達(dá)到很高的值，較低的PRF會(huì)影響方位向的成像質(zhì)量；另外線性調(diào)頻的激光脈沖信號(hào)還易受到非線性啁啾的影響，影響距離向的成像質(zhì)量。
[0004]利用對(duì)激光脈沖信號(hào)進(jìn)行相位編碼的方式取得距離向信息能夠取得很高的PRF，并且外調(diào)制具有很高的靈活性，可以通過子脈沖的時(shí)間寬度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的距離向分辨率。但是多數(shù)相位編碼信號(hào)易受到平臺(tái)連續(xù)運(yùn)動(dòng)引入的多普勒頻移的影響，導(dǎo)致距離向匹配濾波不能有效聚焦，F(xiàn)rank編碼信號(hào)雖然一定程度上能克服這種影響，但是其在光波外調(diào)制的實(shí)現(xiàn)上需要多階梯調(diào)制電壓，實(shí)現(xiàn)困難。
[0005]直視合成孔徑激光雷達(dá)(Down-looking SAIL)利用相對(duì)掃描的空間拋物面波前獲得與目標(biāo)點(diǎn)距離向位置成正比的線性相位調(diào)制項(xiàng)，在方位向上在同軸正交偏振兩個(gè)方向發(fā)射不同曲率半徑的拋物面波前，采用同軸正交偏振接收，兩路光束進(jìn)入2X490°光學(xué)橋接器，輸出光束兩兩平衡探測(cè)接收，獲得位置復(fù)數(shù)信號(hào)。直視SAIL能夠?qū)崿F(xiàn)正下視的工作模式，但同軸對(duì)掃的機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且由于機(jī)械掃描速度的限制，也不能取得較高PRF，這是限制目前直視SAIL高分辨率成像的問題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)側(cè)視SAIL和直視SAIL的技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種基于M序列相位編碼和正交偏振復(fù)用的合成孔徑成像雷達(dá)，并根據(jù)新方法設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)裝置。
[0007]本發(fā)明在H偏振方向(或V偏振方向)上對(duì)發(fā)射脈沖進(jìn)行基于M序列的相位編碼調(diào)制，在V偏振方向(或H偏振方向)上不進(jìn)行相位調(diào)制，并利用柱面鏡(或其它在方位向上變換發(fā)射波前曲率半徑的拋物面波前變換系統(tǒng))將上述兩個(gè)正交偏振方向上的光束波前變換為曲率半徑不同的二次拋物曲面，發(fā)射同軸正交偏振光束。
[0008]目標(biāo)反射回波偏振自差接收，通過2X490°光學(xué)橋接器正交平衡探測(cè)并復(fù)數(shù)數(shù)字化后，在距離向(即快時(shí)間域)和方位向(即慢時(shí)間域)分別通過匹配濾波的方式求出位置信息。[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0010]一種基于M序列相位編碼的正交偏振復(fù)用合成孔徑激光成像雷達(dá)，其特點(diǎn)在于由發(fā)射端、接收端和控制與信號(hào)處理電路構(gòu)成:
[0011]所述的發(fā)射端包括激光光源，沿該激光光源的激光輸出方向依次是發(fā)射偏振分束器、水平偏振光路寬帶相位調(diào)制器、水平偏振器、水平偏振光路變換鏡、垂直偏振光路變換鏡、發(fā)射偏振合束器和發(fā)射主鏡；所述的激光光源的輸出激光經(jīng)所述的發(fā)射偏振分束器分為水平偏振光束和垂直偏振光束，所述的水平偏振光束經(jīng)水平偏振光路寬帶相位調(diào)制器進(jìn)行基于M序列的相位編碼調(diào)制，再通過水平偏振器控制其偏振狀態(tài)，然后通過變換鏡改變其波前曲率半徑進(jìn)入所述的發(fā)射偏振合束器；所述的垂直偏振光束經(jīng)過垂直偏振光路變換鏡改變其波前曲率半徑進(jìn)入所述的發(fā)射偏振合束器，兩路偏振光束經(jīng)所述的發(fā)射偏振合束器合束后形成同軸正交偏振光束由發(fā)射主鏡發(fā)射到目標(biāo)平面上；
[0012]所述的接收端包括接收主鏡、接收偏振分束器、2X490°光學(xué)橋接器、同相通道平衡探測(cè)器、90°相移通道平衡探測(cè)器、同相通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器、90°相移通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器和復(fù)數(shù)化處理器；
[0013]目標(biāo)回波由所述的接收主鏡接收，被接收的光束經(jīng)過接收偏振分束器分為水平偏振和垂直偏振兩路光束，兩路光束通過2X490°光學(xué)橋接器,輸出四路相互相移90°的同軸干涉光束對(duì)，其中0°和180°的兩路光束由同相通道平衡探測(cè)器接收，90°和270°的兩路光束由90°相移通道平衡探測(cè)器接收，同相通道平衡探測(cè)器的輸出信號(hào)由同相通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，90°相移通道平衡探測(cè)器的輸出信號(hào)由90°相移通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，同相通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器和90°相移通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)由復(fù)數(shù)化處理器處理輸出復(fù)數(shù)數(shù)字信號(hào)，輸出的數(shù)字信號(hào)通過信號(hào)處理電路處理得到目標(biāo)的數(shù)字圖像。
[0014]所述的水平偏振變換鏡由水平光束偏轉(zhuǎn)器和凸柱面鏡構(gòu)成。
[0015]所述的垂直偏振變換鏡由垂直光束偏轉(zhuǎn)器和凹柱面鏡構(gòu)成。
[0016]本發(fā)明具有如下特點(diǎn):
[0017]1、本發(fā)明提供一種利用基于M序列的相位編碼調(diào)制激光脈沖獲得目標(biāo)距離向位置信息的合成孔徑激光成像雷達(dá)，外調(diào)制的方式相較于線性調(diào)頻激光器具有較大的脈沖重復(fù)頻率、較為靈活的參數(shù)設(shè)置、無需光學(xué)延時(shí)線以及免受線性調(diào)頻信號(hào)中非線性啁啾的影響等特點(diǎn)。
[0018]2、本發(fā)明基于正交偏振復(fù)用，在兩個(gè)偏振方向發(fā)射不同曲率半徑的拋物波面，利用自差接收探測(cè)，在順軌向形成二次相位歷程，并通過匹配濾波成像；偏振復(fù)用自差接收的方式不僅具有直視SAIL自動(dòng)消除相位誤差等優(yōu)點(diǎn)，而且能夠有效去除平臺(tái)連續(xù)運(yùn)動(dòng)引入的多普勒頻移對(duì)相位調(diào)制信號(hào)匹配濾波的影響。
[0019]3、本發(fā)明的距離分辨率可以根據(jù)相位調(diào)制光脈沖子脈沖寬度靈活調(diào)節(jié)，方位向分辨率隨距離增加而增大。
[0020]本發(fā)明的技術(shù)效果如下:
[0021]1、本發(fā)明由于采用了同軸自差接收，大大降低了大氣、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等相位誤差的影響，提高了雷達(dá)系統(tǒng)的魯棒性。
[0022]2、本發(fā)明由于采用外相位調(diào)制及自差接收解調(diào)，無需額外引入本地信號(hào)進(jìn)行外差接收，避免了初始脈沖相位同步的問題。
[0023]3、本發(fā)明采用自差接收，無需傳統(tǒng)SAIL中的光學(xué)延時(shí)線。
[0024]4、本發(fā)明采用外相位調(diào)制方式，不需要頻率線性啁啾，可以采用具有單頻單模性質(zhì)的激光光源，擴(kuò)展了可用波長(zhǎng)與激光輸出功率，并且與直視SAIL相比，外相位調(diào)制提高了激光的脈沖重復(fù)頻率。
[0025]5、本發(fā)明由于采用了同軸自差接收，與單純的相位調(diào)制編碼激光雷達(dá)相比，能夠有效去除由于平臺(tái)連續(xù)運(yùn)動(dòng)引入的多普勒頻移對(duì)相位編碼脈沖距離向壓縮的影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明基于M序列相位編碼和正交偏振復(fù)用的合成孔徑激光成像雷達(dá)原理示意圖。
[0027]圖2與圖3為本發(fā)明基于M序列相位編碼的正交偏振復(fù)用合成孔徑激光成像雷達(dá)的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0029]圖1是基于M序列相位編碼和正交偏振復(fù)用的合成孔徑激光成像雷達(dá)的原理示意圖。由圖可見，本發(fā)明基于M序列相位編碼和正交偏振復(fù)用的合成孔徑激光成像雷達(dá)包括發(fā)射端、接收端和控制及信號(hào)處理電路構(gòu)成。所述的發(fā)射端包括:單頻、單模激光器1、發(fā)射偏振分束器2、水平偏振光路寬帶相位調(diào)制器3、水平偏振器4、水平偏振光路變換鏡5、垂直偏振光路變換鏡6、發(fā)射偏振合束器7和發(fā)射主鏡8 ;所述的接收端包括接收主鏡9、接收偏振分束器10、2X490°光學(xué)橋接器11、同相通道平衡探測(cè)器12、90°相移通道平衡探測(cè)器13、同相通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器14、90°相移通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器15、復(fù)數(shù)化處理器16和控制及信號(hào)處理電路17。
[0030]圖2是上述原理圖的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖。激光光源輸出的偏振光束經(jīng)過發(fā)射偏振分束棱鏡分為H偏振光路與V偏振光路，其中H偏振光束通過寬帶相位調(diào)制器，其相位經(jīng)過基于M序列的編碼調(diào)制，再通過偏振控制器保持其H偏振態(tài)，然后通過H偏振光束偏轉(zhuǎn)器改變傳播方向，再通過凸柱面透鏡(曲面沿方位向)，改變其光波波前。設(shè)定進(jìn)入寬帶相位調(diào)制器前的光波為平面波，凸柱面透鏡的焦距為R1，通過凸柱面透鏡的光場(chǎng)可以寫為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于M序列相位編碼和正交偏振復(fù)用的合成孔徑激光成像雷達(dá)，其特征在于由發(fā)射端、接收端和控制與信號(hào)處理電路構(gòu)成: 所述的發(fā)射端包括激光光源(I)，沿該激光光源(I)的激光輸出方向依次是、發(fā)射偏振分束器(2)、水平偏振光路寬帶相位調(diào)制器(3)、水平偏振器(4)、水平偏振光路變換鏡(5)、垂直偏振光路變換鏡(6)、發(fā)射偏振合束器(7)和發(fā)射主鏡(8);所述的激光光源(I)的輸出激光經(jīng)所述的發(fā)射偏振分束器(2)分為水平偏振光束和垂直偏振光束，所述的水平偏振光束經(jīng)水平偏振光路寬帶相位調(diào)制器(3)進(jìn)行基于M序列的相位編碼調(diào)制，再通過水平偏振器(4)控制其偏振狀態(tài)，然后通過變換鏡(5)改變其波前曲率半徑進(jìn)入所述的發(fā)射偏振合束器(7);所述的垂直偏振光束經(jīng)過垂直偏振光路變換鏡(6)改變其波前曲率半徑進(jìn)入所述的發(fā)射偏振合束器(7)，兩路偏振光束經(jīng)所述的發(fā)射偏振合束器(7)合束后形成同軸正交偏振光束由發(fā)射主鏡(8)發(fā)射到目標(biāo)平面上； 所述的接收端包括接收主鏡(9)、接收偏振分束器(10)、2X490°光學(xué)橋接器(11)、同相通道平衡探測(cè)器(12)、90°相移通道平衡探測(cè)器(13)、同相通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(14)、90°相移通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(15)和復(fù)數(shù)化處理器(16)； 目標(biāo)回波由所述的接收主鏡(9)接收，被接收的光束經(jīng)過接收偏振分束器(10)分為水平偏振和垂直偏振兩路光束，兩路光束通過2X490°光學(xué)橋接器(11)，輸出四路相互相移90°的同軸干涉光束對(duì)，其中0°和180°的兩路光束由同相通道平衡探測(cè)器(12)接收，90°和270°的兩路光束由90°相移通道平衡探測(cè)器(13)接收，同相通道平衡探測(cè)器(12)的輸出信號(hào)由同相通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(14)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，90°相移通道平衡探測(cè)器(13)的輸出信號(hào)由90°相移通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(15)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，同相通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(14)和90°相移通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(15)輸出的數(shù)字信號(hào)由復(fù)數(shù)化處理器(16)處理輸出復(fù)數(shù)數(shù)字信號(hào)，輸出的數(shù)字信號(hào)通過信號(hào)處理電路(17)處理得到目標(biāo)的數(shù)字圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)裝置，其特征在于所述的水平偏振變換鏡(5)由水平光束偏轉(zhuǎn)器和凸柱面鏡構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)裝置，其特征在于所述的垂直偏振變換鏡出)由垂直光束偏轉(zhuǎn)器和凹柱面鏡構(gòu)成。
【文檔編號(hào)】G01S17/89GK103983979SQ201410226507
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】孫建鋒, 蔡光宇, 周煜, 欒竹, 馬小平, 盧智勇, 劉立人 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所